一种针对泵压式液体火箭发动机推力室的可靠性评估方法技术

本发明专利技术提供了一种针对泵压式液体火箭发动机推力室的可靠性评估方法，通过故障树演绎方法识别推力室的主要故障模式；针对推力室各主要故障模式，分别确定单元可靠性评估数学模型，量化评估各故障模式发生概率；充分利用推力室及其零部组件的试验数据，量化评估推力室的可靠性；通过重要度排序方法，识别推力室薄弱环节，为推力室研制与可靠性增长提供支持。为推力室研制与可靠性增长提供支持。为推力室研制与可靠性增长提供支持。

【技术实现步骤摘要】
一种针对泵压式液体火箭发动机推力室的可靠性评估方法


[0001]本专利技术属于航天质量与可靠性
，具体涉及一种针对泵压式液体火箭发动机推力室的可靠性评估方法。

技术介绍

[0002]液体火箭发动机是运载火箭的心脏，推力室作为发动机的主要燃烧装置，其可靠性决定着发动机飞行任务的成败。推力室一般是由喷注器、燃烧室和喷管组成。液体推进剂经过喷注器进入燃烧室，完成雾化、混合和燃烧过程，产生高温高压的燃气，将推进剂的化学能转变为热能。燃气在喷管里将热能转化为动能，以很高的速度从喷管的出口截面排出，产生所需要的反作用力，即发动机推力。
[0003]推力室为整体焊接结构，工作压力大、温度高、热流密度大，同时受到重量限制，焊缝多、薄壁结构多。近年来，由于推力室故障，导致发动机试车故障或运载火箭发射失利的事件时有发生，因此，推力室一直是制约发动机可靠性提升的关键产品，也是液体火箭发动机可靠性量化控制的核心产品。
[0004]可靠性评估是量化检验发动机可靠性的重要手段，是发动机研制阶段实现可靠性定量指标要求、完成闭环控制所必须的环节。如果不能确定实际达到的水平，就无法决策产品是否合格、是否可用、是否需要改进。对于高可靠要求的航天产品，“不可测”将导致“不可控”。
[0005]目前，对于液体火箭发动机来说，在研制初期，对推力室有明确的可靠性指标要求，但在后续研制过程中，只通过整机试车时间来评估发动机整机的可靠性，未对推力室的可靠性开展量化评估。由此带来一系列的问题：
[0006]1)推力室的可靠性指标要求在研制过程中并未实现闭环控制，推力室的可靠性水平处于未知状态；
[0007]2)在研制过程中，无法对推力室的可靠性水平进行监测，只能在研制后期试车中体现，增大了研制的风险；
[0008]3)在推力室出现故障后，需要开展泵设计工艺改进，但在可靠性提升后，必须通过整机试车才能验证其可靠性增长效果，无法直接体现出改进对推力室可靠性的贡献；
[0009]4)目前，发动机的可靠性评估只依赖于整机试车，但发动机整机试车费用巨大，且策划周期长，而大量的推力室试验数据并未在发动机可靠性评估中体现，导致验证发动机可靠性的试验成本居高不下。
[0010]在实际研制过程中，推力室及各组成的零部组件均开展丰富的验证试验，从试验数据的充分性和有效性角度，推力室具备可靠性评估的条件，但尚无针对推力室的可靠性评估方法。

技术实现思路

[0011]有鉴于此，本专利技术的目的是提供一种针对泵压式液体火箭发动机推力室的可靠性
评估方法，提高对推力室的可靠性闭环控制能力，进而保证液体火箭发动机的可靠性水平。
[0012]1、一种针对泵压式液体火箭发动机推力室的可靠性评估方法，包括如下步骤：
[0013]步骤1、推力室可靠性要求分析，包括推力室的工作条件、工作时间及功能性能要求，推力室的故障判据，明确推力室的可靠性参数与指标要求；
[0014]步骤2、对推力室的结构组成进行逐层分解，直到分解到推力室的零部件，确定零部件的主要故障模式，并将主要故障模式作为故障树的底事件，得到表征推力室可靠性评估模型的故障树，并得到表达各故障模式与推力室故障的逻辑关系；
[0015]步骤3、根据各主要故障模式类型与各自对应的可靠性特征量，为各主要故障模式选取合适的单元可靠性评估模型；
[0016]步骤4、推力室可靠性综合评估，具体为：
[0017]步骤41、确定抽样次数M；
[0018]步骤42、生成N个(0,1)范围内的随机数[α
1j
,α
2j
,...,α
ij
,...,α
Nj
，]，其中α
ij
为第i个主要故障模式在第j次抽样的随机数，i＝1,2,
…
,N；j＝1,2,
…
,M；
[0019]步骤43、计算第i个主要故障模式的单元可靠性模型在分位点α
ij
的可靠度R
i
；
[0020]步骤44、计算各主要故障模式的故障概率F
ij
：F
ij
＝1
‑
R
ij
；
[0021]步骤45、基于步骤2得到的各故障模式与推力室故障的逻辑关系，利用各主要故障模式的故障概率F
ij
计算第j次抽样的推力室故障发生概率FS
j
；
[0022]步骤46、计算第j次抽样的系统可靠度：RS
j
＝1
‑
FS
j
；
[0023]步骤47、重复步骤42
‑
46，共M次，形成M个系统可靠性的仿真结果[RS1,RS2,...,RS
M
]；
[0024]步骤48、将[RS1,RS2,...,RS
k
,...,RS
M
]中各元素按照从小到大进行排序，得到设定置信度下的可靠度R
L
；
[0025]步骤48、根据可靠度R
L
对泵压式液体火箭发动机推力室的可靠性进行评估。
[0026]进一步的，还包括：根据步骤2得到的推力室可靠性模型表达的逻辑关系，结合各故障模式的发生概率，采用相对概率重要度方法，计算每种故障模式的相对概率重要度，并按照重要度从大到小进行排序，识别推力室的薄弱环节。
[0027]较佳的，所述步骤3中，为各主要故障模式选取合适的单元可靠性评估模型的方法包括：
[0028]对于强度失效类型的故障模式，选取原则为：
[0029]1)当可靠性特征量的广义强度与广义应力均有多个样本测量值时，采用应力强度模型作为单元可靠性评估模型；
[0030]2)当可靠性特征量的广义强度与广义应力中只有一个具有多个样本测量值时，采用正态分布模型作为单元可靠性评估模型；
[0031]3)当强度类故障模式对应试验为非破坏性试验，且所有样本试验值均相同时，采用基于强化系数的可靠性评估方法确定单元可靠性评估模型。
[0032]较佳的，在使用强化系数法时，变差系数一般取0.1
‑
0.15。
[0033]较佳的，所述步骤3中，为各主要故障模式选取合适的单元可靠性评估模型的方法包括：
[0034]对于疲劳失效类型的故障模式，选取原则为：
[0035]1)当可靠性特征量为试验时间或脉冲工作次数时，采用威布尔分布模型作为单元可靠性评估模型；
[0036]2)当可靠性特征量为任务时间对应的剩余强度或累计损伤程度，采用正态分布模型作为单元可靠性评估模型；
[0037]3)当可靠性特征量为试验后的剩余强度或累计损伤程度且试验时间不完全相同时，采用基于性能退化数据的可靠性评估方法确定单元可靠性评估模型。
[0038]较佳的，所述步骤3中，为各主要故障模式选取合适的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种针对泵压式液体火箭发动机推力室的可靠性评估方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、推力室可靠性要求分析，包括推力室的工作条件、工作时间及功能性能要求，推力室的故障判据，明确推力室的可靠性参数与指标要求；步骤2、对推力室的结构组成进行逐层分解，直到分解到推力室的零部件，确定零部件的主要故障模式，并将主要故障模式作为故障树的底事件，得到表征推力室可靠性评估模型的故障树，并得到表达各故障模式与推力室故障的逻辑关系；步骤3、根据各主要故障模式类型与各自对应的可靠性特征量，为各主要故障模式选取合适的单元可靠性评估模型；步骤4、推力室可靠性综合评估，具体为：步骤41、确定抽样次数M；步骤42、生成N个(0,1)范围内的随机数[α
1j
,α
2j
,...,α
ij
,...,α
Nj
，]，其中α
ij
为第i个主要故障模式在第j次抽样的随机数，i＝1,2,
…
,N；j＝1,2,
…
,M；步骤43、计算第i个主要故障模式的单元可靠性模型在分位点α
ij
的可靠度R
i
；步骤44、计算各主要故障模式的故障概率F
ij
：F
ij
＝1
‑
R
ij
；步骤45、基于步骤2得到的各故障模式与推力室故障的逻辑关系，利用各主要故障模式的故障概率F
ij
计算第j次抽样的推力室故障发生概率FS
j
；步骤46、计算第j次抽样的系统可靠度：RS
j
＝1
‑
FS
j
；步骤47、重复步骤42
‑
46，共M次，形成M个系统可靠性的仿真结果[RS1,RS2,...,RS
M
]；步骤48、将[RS1,RS2,...,RS
k
,...,RS
M
]中各元素按照从小到大进行排序，得到设定置信度下的可靠度R
L
；步骤48、根据可靠度R
L
对泵压式液体火箭发动机推力室的可靠性进行评估。2.如权利要求1所述的一种针对泵压式液体火箭发动机推力室的可靠性评估方法，其特征在于，还包括：根据步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：李健，刘金燕，王珏，何鹏飞，
申请(专利权)人：中国航天标准化研究所，
类型：发明
国别省市：